電諧波的危害與抑制技術(shù)

1、.DOC資料.電諧波的危害與抑制技術(shù)作者:日期:電網(wǎng)諧波的危害及抑制技術(shù)摘要：電網(wǎng)中諧波問題日益嚴(yán)重，文章對此綜述了諧波危害及抑制諧波的方 法。關(guān)鍵詞：電網(wǎng)諧波危害抑制技術(shù)隨著工業(yè)、農(nóng)業(yè)和人民生活水平的不斷提高，除了需要電能成倍增長，對 供電質(zhì)量及供電可靠性的要求也越來越多，電力質(zhì)量(Power Q u a 1 i t y )受到人們的日益重視。例如，工業(yè)生產(chǎn)中的大型生產(chǎn)線、飛機(jī)場、大型 金融商廈、大型醫(yī)院等重要場合的計算機(jī)系統(tǒng)一旦失電，或因受電力網(wǎng)上瞬態(tài) 電磁干擾影響，致使計算機(jī)系統(tǒng)無常運行，將會帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。電梯、 空調(diào)等變頻設(shè)備、電視機(jī)、計算機(jī)、復(fù)印機(jī)、電子式鎮(zhèn)流器熒光燈等已成為人

2、 民日常生活的一部分，如果這些裝置不能正常運行，必定擾亂人們的正常生 活。但是，電視機(jī)、計算機(jī)、復(fù)印機(jī)、電子式照明設(shè)備、變頻調(diào)速裝置、開關(guān) 電源、電弧爐等用電負(fù)載大都是非線性負(fù)載，都是諧波源，如將這些諧波電流 注入公用電網(wǎng)，必然污染公用電網(wǎng)，使公用電網(wǎng)電源的波形畸變，增加諧波成 份。近幾年，傳感技術(shù)、光纖、微電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)及信息技術(shù)日臻成 熟。集成度愈來愈高的微電子技術(shù)使計算器的功能更加完美，體積愈來愈小， 從而促使各種電器設(shè)備的控制向智能型控制器方向發(fā)展。隨著微電子技術(shù)集成 度的提高，微電子器件工作電壓變得更低，耐壓水平也相對更低，更易受外界 電磁場干擾而導(dǎo)致控制單元損壞或失靈。例如，

3、2 0世紀(jì)7 0年代計算機(jī)迅速 普遍推廣，電磁干擾及抑制問題更是十分突出，一些功能正常的計算機(jī)常岀現(xiàn) 誤動作，而無法找出原因。1 9 6 6年日本三基電子工業(yè)公司率先開發(fā)了 “模 擬脈沖的高頻噪音模擬器”，將它產(chǎn)生的脈沖注入被試計算機(jī)的電源部分，結(jié) 果發(fā)現(xiàn)計算機(jī)在注入1 0 02 0 0 V脈沖時就誤動作，難怪計算機(jī)在現(xiàn)場無 常工作，其原因之一是計算機(jī)的電源受到了污染。因此，受諧波電流污染的公 用電源，輕者干擾設(shè)備正常運行，影響人們的正常生活，重者致使工業(yè)上的大 型生產(chǎn)線、系統(tǒng)運行癱瘓，會造成嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失。國際電工委員會（I EC）已于1 9 8 8年開始對諧波限定提出了明確的 要求。美國I

4、E E E電子電氣工程師協(xié)會”于1 9 9 2年制定了諧波限定標(biāo) 準(zhǔn) IEEE10 00。在 IEEEstd. 5 1 9 1 9 9 2 標(biāo)準(zhǔn)中明確規(guī) 定了計算機(jī)或類似設(shè)備的諧波電壓畸變因數(shù)（TIID）應(yīng)在5%以下，而對于 醫(yī)院、飛機(jī)場等關(guān)鍵場所則要求T II D應(yīng)低于3%。1電網(wǎng)諧波的產(chǎn)生1.1電源本身諧波由于發(fā)電機(jī)制造工藝的問題，致使電樞表面的磁感應(yīng)強度分布稍稍偏離正 弦波，因此，產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢也會稍稍偏離正弦電動勢，即所產(chǎn)生的電流稍 偏離正弦電流。當(dāng)然，幾個這樣的電源并網(wǎng)時，總電源的電流也將偏離正弦 波。1.2由非線性負(fù)載所致1.2.1非線性負(fù)載諧波產(chǎn)生的另一個原因是由于非線性負(fù)載。

5、當(dāng)電流流經(jīng)線性負(fù)載時，負(fù)載 上電流與施加電壓呈線性關(guān)系；而電流流經(jīng)非線性負(fù)載時，則負(fù)載上電流為非 正弦電波，即產(chǎn)生了諧波。1.2.2主要非線性負(fù)載裝置（1）開關(guān)電源的高次諧波：開關(guān)電源由五部分組成：一次整流、開關(guān)振 蕩回路、二次整流、負(fù)載和控制，這幾個部分產(chǎn)生的噪聲不完全一樣。這幾種 干擾可以通過電源線等產(chǎn)生輻射干擾，也可以通過電源產(chǎn)生傳導(dǎo)干擾。（2）變壓器空載合閘涌流產(chǎn)生諧波鐵心中磁通變化時，會產(chǎn)生81 5倍額定電流的涌流，由于線圈電阻的 存在，變壓器空載合閘涌流一般經(jīng)過幾個周波即可達(dá)到穩(wěn)定。所產(chǎn)生的勵磁涌 流所含的諧波成份以3次諧波為主。（3）單相電容器組開斷時的瞬態(tài)過電壓干擾：電力電子調(diào)

6、速系統(tǒng)普遍應(yīng) 用于工業(yè)中改進(jìn)電機(jī)效率及靈活性設(shè)備，調(diào)速裝置電力電子器件對過電壓特別 敏感，因此線路中瞬態(tài)過電壓會造成調(diào)速系統(tǒng)的過電壓保護(hù)誤跳閘。由于與中 壓母線相連的電容器要經(jīng)常操作，這意味著調(diào)速系統(tǒng)誤跳閘事故會經(jīng)常發(fā)生；（4 ）電壓互感器鐵磁諧振過電壓：在我國1 0 k V、3 5 k V等級的中 性點不接地配電網(wǎng)中，為了監(jiān)視對地絕緣，一般采用三相五柱式電壓互感器。 在正常情況下，三相對地電壓是平衡的，但是由于發(fā)生單相接地故障等原因， 會導(dǎo)致三相對地電壓平衡的破壞，還有可能使電壓互感器線圈電感L和系統(tǒng)對 地電容C在參數(shù)上配合，而產(chǎn)生諧振過電壓。（5 ）整流器和逆變器產(chǎn)生的諧波電壓、電流：整流

7、器的作用將交流電轉(zhuǎn) 成直流電，而逆變器是將直流電轉(zhuǎn)變成交流電。其電路中的二極管視為理想二 極管，即正向阻抗接近零，反向阻抗無窮大。因此，只允許電流單方向流動， 從整流器的輸出端看，每相電流波形為矩形波，不是正弦波，利用傅氏級數(shù)展 開式展開周期的矩形波形，可以看到除了工頻正弦波（5 0Hz基波）外，還 疊加了一系列高次波形一一諧波。應(yīng)該說電動機(jī)采用變頻器進(jìn)行調(diào)速，可以髙 水平完成調(diào)速外，也可以節(jié)省大量電能（近3 0%），但如前面分析，變頻調(diào) 速過程中要產(chǎn)生高次諧波，即形成高次諧波污染，造成廠區(qū)的電視、音響系統(tǒng) 不能正常工作，還要干擾二次儀表一一壓力、流量、可編程控制器及智能控制 器正常工作，諧波

8、還要使變壓器、電動機(jī)、電容器及電抗器產(chǎn)生過熱。（6 ）電弧爐運行引起電壓波動：隨著冶煉工業(yè)的發(fā)展，當(dāng)然會更多地使 用電弧爐，這是一個重要負(fù)荷。運行時，電極和金屬碎粒之間會發(fā)生頻繁斷 路，而在熔化期間，電源兩相短路，一旦熔化金屬從電極上落下，電弧熄滅， 電源又開路，因此，可以說冶煉過程是頻繁的短路一開路一短路的過程，會引 起用戶端電壓波動及白熾燈閃爍，一般電壓波動頻率是0. 1 II Z幾十II Z,這種諧波是以3次諧波為主。2諧波的危害2. 1污染公用電網(wǎng)如果公用電網(wǎng)的諧波特別嚴(yán)重，則不但使接入該電網(wǎng)的設(shè)備（電視機(jī)、計 算機(jī)等）無常工作，甚至?xí)斐晒收希疫€會造成向公用電網(wǎng)的中性線注入 更多

9、電流，造成超載、發(fā)熱，影響電力正常輸送。2.2影響變壓器工作諧波電流，特別是3次（及其倍數(shù)）諧波侵入三角形連接的變壓器，會在 其繞組中形成環(huán)流，使繞組發(fā)熱。對Y形連接中性線接地系統(tǒng)中，侵入變壓器 的中性線的3次諧波電流會使中性線發(fā)熱。2.3影響繼電保護(hù)的可靠性如果繼電保護(hù)裝置是按基波負(fù)序量整定其整定值大小，此時，若諧波干擾 疊加到極低的整定值上，則可能會引起負(fù)序保護(hù)裝置的誤動作，影響電力系統(tǒng) 安全。2.4加速金屬化膜電容器老化在電網(wǎng)中金屬化膜電容器被大量用于無功補償或濾波器，而在諧波的長期 作用下，金屬化膜電容器會加速老化。2.5增加輸電線路功耗如果電網(wǎng)中含有高次諧波電流，那么，高次諧波電流會

10、使輸電線路功耗增 加。如果輸電線是電纜線路，與架空線路相比，電纜線路對地電容要大1 0 2 0倍，而感抗僅為其1 / 31 / 2 ,所以很容易形成諧波諧振，造成絕緣 擊穿。2.6增加旋轉(zhuǎn)電機(jī)的損耗國際上一般認(rèn)為電動機(jī)在正常持續(xù)運行條件下，電網(wǎng)中負(fù)序電壓不超過額 定電壓的2 %,如果電網(wǎng)中諧波電壓折算成等值基波負(fù)序電壓大于這個數(shù)值， 則附加功耗明顯增加。2.7影響或干擾測量控制儀器、通訊系統(tǒng)工作例如，直流輸電中，直流換流站換相時會產(chǎn)生31 0 k II z高頻噪聲， 會干擾電力載波通信的正常工作。3諧波抑制技術(shù)3.1整機(jī)電源需留有較大貯備量為了使測量、控制裝置能滿足負(fù)載較大變化圍，因此在設(shè)計整

11、機(jī)電源時， 可給予較大貯備量，一般選取0. 51倍余量；3.2對干擾大的設(shè)備與測控裝置采用不同相線供電因為測量、控制裝置的許多干擾是由電源線竄入的，因此在規(guī)劃供電線路 時，對干擾大的設(shè)備與測控裝置采用不同相線供電，；3.3將測量、控制裝置的供電與動力裝置的供電分開因為動力裝置的負(fù)荷變動大，測量、控制、微機(jī)及電視機(jī)的負(fù)荷小，動力 裝置產(chǎn)生的干擾大，供電電源分開后，測量、控制、微機(jī)及電視機(jī)的電源與動 力裝置的電源相互隔離，可以大大減少通過電源線的干擾。3.4其余抑制髙次諧波的技術(shù)3.4.1開關(guān)電源干擾的抑制技術(shù)一般采用的辦法是：電源濾波、屏蔽及減少開關(guān)電源本身干擾能量。采用電源濾波器，電源濾波器可

12、以阻止電網(wǎng)中的干擾進(jìn)入開關(guān)電源，也可 以阻止開關(guān)電源的干擾進(jìn)入電網(wǎng)。屏蔽技術(shù)可以有效地防止向外輻射干擾。減少開關(guān)電源本身干擾，利用改善線圈繞制工藝，確保繞組之間緊密耦 合，以減少變壓器漏感。還可以在高頻整流二極管上串入可飽和磁芯線圈，利 用流過反向電流時，因磁芯不飽和而產(chǎn)生的較大電勢阻止反向電流上升。3.4.2變壓器空載合閘涌流抑止方法根據(jù)方程1 = c o s（3t+a） =6 ms i n w t ,如果合閘 時，a =90 （即U 1 =U 1 m便合閘），則：6 1= Cmc o s（3t+a） =6ms i not沒有暫態(tài)分量，合閘 后磁通立即進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，理論上可以避免沖擊涌流過程

13、。3.4.3抑制單相電容器組開斷瞬態(tài)過電壓方法如果采用選相斷路器投切電容器，則可以消除或大大降低投切電容器產(chǎn)生 的瞬態(tài)過電壓，從而使接在母線上的電力電子調(diào)速系統(tǒng)可以穩(wěn)定地工作，接在 母線上的其余設(shè)備也可不受過電壓干擾的影響。3.4.4抑制電壓互感器鐵磁諧振方法其方法是要使它脫離諧振區(qū)，采用中性點不接地的電壓互感器或采用電容 分壓器可以從根本上避免鐵磁諧振。3.4.5抑止整流和逆變產(chǎn)生的諧波（1）在變頻器前加裝電源濾波器。一種成本比較低的方法是在電源側(cè)加 裝三只6 8 0 P f 2 5 0 VAC的電容，（分別接在L N上） 這種方法 可使電磁干擾電流降至原來的1 / 1 0,效果較明顯；（2）變頻器的電源電纜采用屏蔽電纜，屏蔽電纜穿鐵管并接地，輸出電 纜也穿鐵管并接地，屏蔽層應(yīng)在接變頻器處和電機(jī)處兩端都接地。3.4.6抑止電弧爐運行時的干擾（1）在合適地段加入電容補償裝